Задание
1. Выбратьагрегат автомобиля, для которого необходимо оценить техническое состояние илипровести ТР.
2. Изучитьособенности конструкции и принцип действия агрегата.
3. Определитьпараметры узла или агрегата, по которому оценивается техническое состояние илиособенности выполнения ТР.
4. Разработатьвозможные методические оценки технического состояния агрегата автомобиля.
5. Длявыбранной методики спроектировать технологическое оборудование, позволяющиеоценить техническое состояние агрегата или снизить трудоемкость ремонта.
5.1 Выбратькомпоновочную схему оборудования с учетом размещения агрегатов и
особенностьюподключения и оценить эргономические показатели рабочего места.
5.2 Выбратькинематическую схему.
5.3 Спроектироватьнесущие конструкции с учетом перемещения агрегата или механизма.
5.4 Разработатьспособы переключения или подключения испытаний агрегата к технологическомуоборудованию.
5.5 Еслиэто необходимо обеспечить подвод коммуникаций.
6. Произвестирасчет эксплуатационных параметров и подбор стандартных элементов.
7. Сделатьвывод о соответствии спроектированного оборудования выдвинутым требованиям.
Устройствотурбокомпрессора турбонаддува ДВС
/>
Рис. 1.Устройство современного турбокомпрессора:
1 – корпусподшипников – металлический корпус системы подшипников обеспечиваетместоположения для плавающей системы подшипника вала турбины и компрессора,который может вращаться со скоростью до 170,000 оборотов / минут. Сложнаягеометрическая конструкция для охлаждения. Основные требования: качествообработки, жесткость, термостойкость;
2 – турбинноеколесо – установлено в корпусе турбины и соединено штифтом, который вращаеткрыльчатку компрессора. Покрыто никелевым сплавом. Сделано из прочных и стойкихсплавов. Выдерживает температуры работы до 760 °C. Основные требования:стойкость к изнашиванию, к деформациям, к коррозии;
3 – перепускнойклапан – управляемый пневматическим приводом (см. рис. 1), приопределенной величине давления наддува направляет часть отработавших газов вобход турбины, тем самым ограничивает давление наддува ДВС. Ограничениедавления наддува осуществляют с целью защитить двигатель от перегрузки;
4 – корпус(улитка) турбины – изготавливается из различных сортов сфероидированногочугуна, чтобы противостоять тепловому воздействию и разрушению. Как икрыльчатка, профиль улитки обработан до полного соответствия форме лопастейкрыльчатки. Впускной фланец улитки турбины работает как установочная база длязакрепления турбины, несущая нагрузку. Основные требования: ударопрочность,стойкость к окислению, жаропрочность, жаростойкость, легкость механическойобработки;
5 – масляныеканалы;
6 – валротора;
7 – подшипникскольжения – изготовлен из специально разработанных бронзовых или медныхсплавов. Специально разработанный производственный процесс предназначен, чтобысоздать подшипники с необходимыми качествами термостойкости и износостойкости.Стопорные, упорные стальные кольца и масляные проточки изготавливаются особенноточно. Осевое давление поглощается бронзовым гидродинамическим подшипникомосевого давления, расположенным в конец сборки вала. Точная калибровкаобеспечивает равномерную нагрузку подшипника.
8 – компрессорноеколесо – выполнено из алюминиевых сплавов методом литья, на некоторых моделяхкрыльчаток, для очень тяжелой и продолжительной работы при большихтемпературах, лопасти изготавливаются из титана. Точные размеры лопастейкрыльчатки и точная механическая обработка важны для нормальной работыкомпрессора. Расточка и полирование повышает коэффициенты сопротивленияусталости. Крыльчатка расположена на сборке вала. Основные требования: высокоесопротивление усталости, растяжению, коррозии;
9 – корпус(улитка) компрессора – отлита из алюминия. Используются различные сплавы дляразличных типов компрессоров. Используются как вакуумное литье так «песочное» литье.Точная финальная обработка для соблюдения размеров и качества поверхностей,необходимые для нормальной работы турбины. Основные требования: прочность кударным и механическим нагрузкам, высокое качество обработки и точные размеры;
10 – пневмоприводперепускного клапана – управляет перепускным клапаном, для ограничения давлениянаддува и защиты двигателя от перегрузок.
/>
Рис. 2.Общее устройство турбокомпрессора
Включает всебя основные части: корпус компрессора 1, компрессорное колесо 2, вал ротора3, корпус турбины 4, турбинное колесо 5 и корпус подшипников с ротором в сборе.
– Корпусатурбины и компрессора в обиходе называют «улитки». Турбинный корпус связан свыпускным, а компрессорный – с впускным трубопроводами.
– Вкорпусе подшипников установлен ротор в сборе, представляющий собой вал, накотором жестко закреплены турбинное и компрессорное колеса с лопастями. Роторвращается на подшипниках скольжения. Они смазываются и охлаждаются моторныммаслом, поступающим из системы смазки двигателя. Для снижения температурыкорпуса в нем могут быть предусмотрены каналы подачи охлаждающей жидкости.
Работатурбокомпрессора происходит под воздействием потока отработавших газов,вращающих турбинное колесо и вал ротора. Установленное на том же валукомпрессорное колесо нагнетает воздух во впускной трубопровод. На некоторыхрежимах работы мотора проявляют себя особенности турбонаддува:
– «Турбояма»(«турболаг») – задержка увеличения оборотов и мощности двигателя при резкомнажатии на педаль акселератора («газа»). Эффект связан с инерционностью системы– требуется время, чтобы ускорившийся поток выхлопных газов раскрутил турбину.Основной способ устранения – снижение размеров и массы вращающихся деталей дляоблегчения их быстрого раскручивания. Однако это ведет к снижениюпроизводительности турбокомпрессора и для сохранения необходимого давлениянаддува приходится увеличивать частоту вращения ротора или применять корпустурбины с изменяемым проходным сечением.
– «Турбоподхват»– возникает при увеличении оборотов и скорости движения выхлопных газов послепреодоления «турбоямы». Вследствие этого резко увеличивается давление наддува,создаваемого турбокомпрессором и, соответственно, мощность двигателя. Чтобыисключить перегрузку деталей кривошипно-шатунного механизма и детонацию (вбензиновых двигателях), необходимо такое же резкое ограничение давления наддува.
1.Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора
Мощность,развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с нимтоплива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощностьдвигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива.Подача большого количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появитсядостаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избытокнесгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому жесильно дымит.
Увеличениемощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо егорабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема, сразу жеувеличивает вес, размеры двигателя и в конечном итоге его стоимость. Увеличениеоборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особеннов случае двигателя со значительным рабочим объемом.
Техническиприемлемым решением проблемы увеличения мощности, является использованиенагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздухсжимают перед его впуском в камеру сгорания.
Другимисловами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха,достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, припрежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую мощность.
Существуетдва основных типа компрессоров: с механическим приводом и «турбо» (использующиеэнергию отработанных газов). Кроме того, существуют также комбинированныесистемы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с механическимприводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связимежду коленвалом двигателя и компрессором. В турбокомпрессоре давление воздухаполучают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.
В принципе,любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины,связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаютсяв одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потоков отработавшихгазов, которая в обычных двигателях, преобразуется здесь в крутящий момент,приводящий в действие компрессор. Происходит это так. Выходящие из цилиндровдвигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Ониразгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины,которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения(крутящий момент).
Этопреобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и ихдавления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его иподает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать своздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большуюмощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличитьхарактеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.
Междудвигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавшихгазов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотовдвигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначалаувеличивается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработавших газов,а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания и в цилиндрыдвигателя поступает еще больше воздуха, что дает возможность увеличить подачутоплива.
Подача идавление воздуха в турбокомпрессоре без регулирования давления наддува, прямопропорциональны энергии отработавших газов, т.е. числу оборотов турбины.
Длядвигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (например, в легковомавтомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах.Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением.Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналовспособствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется идавление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочныйклапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенногозначения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.
2. Типывыпускных систем с турбокомпрессором
Существуетдва основных типа выпускных систем с турбокомпрессором: с постоянным давлениемна входе в турбину и с импульсным давлением на входе в турбину.
Применяютсяоба типа, иногда в комбинированных вариантах. Выбор определяется типомдвигателя, количеством цилиндров, спецификой использования и множеством другихфакторов.
В выпускныхсистемах с постоянным давлением на входе в турбину отработавшие газы от всехцилиндров собираются в общем выпускном коллекторе и затем, при почти постояннымдавлении, направляются к турбокомпрессору.
В выпускныхсистемах с импульсным давлением на входе в турбину используется выпускнойколлектор типа «спагетти», в этом случае отработавшие газы подводятся ктурбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, чтопозволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добитьсямаксимальной производительности от турбокомпрессора в узком диапазоне чиселоборотов.
3.Преимущества турбокомпрессорного двигателя
Двигатель,оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и экономическимипреимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) давлением.
Соотношениемасса / мощность у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферногодвигателя
Двигатель стурбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности.
Криваякрутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована кспецифическим условиям эксплуатации. При этом, например, водитель тяжелогогрузовика должен намного реже переключать передачи на горной дороге и самовождение будет более «мягким»
Кроме того,можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащенныетурбокомпрессором и отличающиеся по мощности.
Еще болееощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферныйдвигатель теряет мощность из-за разряжения воздуха, а турбокомпрессор,обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферногодавления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемоговоздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то естьдвигатель практически сохраняет свою обычную мощность.
Кроме того:
Двигатель стурбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива. Подтверждением томуслужит уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.
Посколькутурбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичностиотработавших газов.
Двигатель,оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его атмосферныйаналог той же мощности, а будучи меньшим по размеру, он производит,соответственно, меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет роль своеобразногоглушителя в системе выпуска.
4.Возможности использования турбокомпрессоров
Турбокомпрессоромможет быть оснащен любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный, бензиновыйили работающий на газе, имеющий жидкостное или воздушное охлаждение. Турбокомпрессорыиспользуются на двигателях как с большим рабочим объемом (судовых, тепловозныхи стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Также неимеет никакого значения, идет ли речь о 2-тактном или о 4-тактном двигателе.
В настоящеевремя практически все большие дизельные двигатели мощностью более 150 кВт,используемые в промышленности, судостроении, на дорожно-строительных работах,оснащаются турбокомпрессором.
Даже всекторе небольших автомобилей с дизельным двигателем наблюдаетсяраспространение турбокомпрессоров. Приход турбокомпрессоров на бензиновыедвигатели был более трудным, но ускорился благодаря опыту их использования накольцевых автогонках и авторалли. Расширение производства материалов,обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качествамоторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора,электронное управление регулирующими клапанами – все это способствует тому, чтотурбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях,что в сочетании с впрыском и электронным зажиганием позволило достичь оченьвысоких характеристик.
5.Дополнительные системы
Охлаждениенаддувочного воздуха (intercooler)
Когда предметсжимают, он нагревается. Воздух, сжатый турбокомпрессором, тоже нагревается ирасширяется. Горячий воздух обладает меньшей плотностью и содержит значительноменьше кислорода, чем холодный; поэтому необходимо охладить воздух, так какбольшее количество кислорода означает большее количество сгоревшего топлива, т.е.двигатель развивает большую мощность.
По этойпричине выходящий из компрессора сжатый воздух сначала проходит через радиатор,где охлаждается перед подачей в двигатель.
Подача вдвигатель более холодного воздуха заметно снижает температурную нагрузку, чтоблагоприятно влияет на его надежность и долговечность.
Существуютохладители типа «воздух / воздух» и системы, которые используютохлаждающую жидкость для охлаждения воздуха («охлаждающая жидкость / воздух»).
Турбокомпрессоры,устанавливаемые параллельно
В некоторыхслучаях (особенно на V-образных двигателях) производитель двигателя имеетвозможность выбора между одним турбокомпрессором, подающим воздух для всегодвигателя, или несколькими меньшими по размеру турбокомпрессорами, каждый изкоторых подает воздух в отдельный цилиндр. В последнем случае каждыйтурбокомпрессор приводится частью отработавших газов от группы цилиндров.
Два небольшихтурбокомпрессора быстрее вступают в работу благодаря своим меньшим роторам, иони обеспечивают лучшую реакцию на нажатие педали акселератора. Впускной ивыпускной коллекторы для двух небольших компрессоров будут короче и проще поконструкции, чем для одного большого.
С другойстороны, два малых турбокомпрессора, как правило, дороже одного большого. Крометого, требуется согласование их работы.
Можноотметить, что кроме двойных турбокомпрессоров, используемых, например, наавтомобилях Maserati и на двигателях V8 и V10 грузовиков Mercedes, этот типсистемы существует в виде четырех турбокомпрессоров на один двигатель,например, на некоторых двигателях V16 Detroit Diesel, где устанавливаетсяотдельный турбокомпрессор на каждые четыре цилиндра.
Серийныесдвоенные турбокомпрессоры
Невозможнополучить хорошую производительность от стандартного турбокомпрессора, если давлениенаддува должно превышать 3,3 бар. Для этого пришлось бы разрабатывать иные типытурбин и компрессоров, которые намного сложнее, тяжелее и дороже используемыхна обычных турбокомпрессорах.
Решение этойпроблемы заключается в установке двух серийных турбокомпрессоров друг задругом, т.е. последовательно. Компрессор большего турбокомпрессора (низкогодавления) всасывает чистый воздух через воздушный фильтр. Затем воздухсжимается и подается в воздухозаборник меньшего турбокомпрессора (высокогодавления). Там воздух еще раз сжимается, после чего подается в двигатель.Отработавшие газы двигателя сначала попадают на турбину турбокомпрессоравысокого давления, потом на турбину турбокомпрессора низкого давления и затем всистему выпуска.
Чтобыполучить хорошую производительность этой системы, необходимо охлаждать воздух,и делать это как между первым и вторым турбокомпрессорами, так и между вторымтурбокомпрессором и двигателем.
Эта системабудет еще эффективнее, если в качестве турбокомпрессора низкого давленияиспользовать турбокомпрессор с регулировочным клапаном. Это позволяет работатьс меньшей (а значит, и более быстрой) турбиной, с лучшей реакцией на ускорение.Клапан контролирует давление и температуру в воздухозаборнике турбокомпрессоравысокого давления, что позволяет обойтись без охладителя. Кроме того, мощностьтурбины высокого давления возрастает, когда открывается клапан турбины низкогодавления.
Турбокомпаунд
Улучшениетемпературной отдачи двигателя – одна из важнейших задач в процессемодернизации двигателей внутреннего сгорания. В этой связи очень перспективнымявляется турбокомпаунд. Поэтому многие производители двигателей работают в этомнаправлении; особенно это касается дизельных двигателей с рабочим объемом от 10до 20 л.
Принципработы турбокомпаунда состоит в том, что отработавшие газы сначала приводят вдействие одну турбину, а при выходе из нее – другую турбину, а затем ужеотводятся в выхлопную трубу.
Втораятурбина не приводит в действие компрессор, а помогает вращать коленвалдвигателя через гидромуфту и шестеренчатый редуктор.
Турбокомпаундимеет хорошие перспективы, поскольку энергия отработавших газов будет сноваприносить пользу. Вторая турбина дополнительно снижает температуру отработавшихгазов примерно на 100 °С.
Турбокомпаундуже используется в серийных двигателях концерна Scania.
6. Причины поломкитурбокомпрессора
Факт, чтобольшинство отказов турбонаддува вызвано проблемами вне турбокомпрессора! Еслитурбокомпрессор поврежден, очень важно найти причину отказа, перед его заменой.
1. Загрязненное масло
Мелкиечастицы загрязнения – не могут быть замечены в масле визуально, но о причине износаповерхности говорит округление внешних граней. Часто подшипник компрессора,может сужаться на внешнем диаметре.
Крупныечастицы загрязнения – перенесенные маслом большие частицы загрязнения, могутпроточить глубокие канавки, как показано слева. Отверстие в подшипнике можетбыть также задрано, но обычно в меньшей степени. Вал и центр корпуса обычноповреждаются немного меньше, т. к. изготовлен из более твердого материала.Световой блик, показанный ниже, был образован перенесенными маслом крупнымичастицами загрязнения.
Химическоезагрязнение – причина большого износа опорного вала и перегрева. Визуальныепризнаки являются почти такими же, как и от недостаточного смазывания. Обычнопричиной является разжижение масла топливом, уменьшающим смазочные свойствамасла.
2. Недостаточноесмазывание.
Минимальноесмазывание– там, где уменьшена подача масла на турбину (например, когда материалыпрокладки частично блокируют доступ маслу или образовывают кромку).Характеризуется чрезвычайным обесцвечиванием вала и шейки вала (как показанониже).
Полноеотсутствие масла – по подобным причинам, дает аналогичные повреждения, но болеекрупные. Повреждение происходит очень быстро!
3. Предельные режимы эксплуатации.
Высокаяскорость, нагрузка и температура – типичное повреждение высокой температурой – наопорной шейке вала, как правило, масляный нагар и закоксовывание вала. Частозадняя поверхность колеса турбины немного вогнута, обычно это явлениесопровождаемое «оранжевой коркой» на задней части колеса компрессора – оченьверные признаки езды с превышением скорости и чрезмерной нагрузки.
Езда спревышением скорости – Езда с превышением скорости может также быть причиной потеричасти лопастей турбины. Может выглядеть подобно повреждениям постороннимиобъектами, но часто сопровождается, трещиной у основания лопасти и…
…вчрезвычайных случаях, колесо может разорвать из-за езды с превышением скорости.От кратковременных перегрузок появляются трещины, поскольку колесо«растягивается» больше его расчетных пределов. Трещины увеличиваются приследующих перегрузках, в итоге приводя к быстрому отказу.
4. Повреждение посторонними предметами.
Твердыепосторонние предметы, попавшие в компрессор – это повреждение вызвано постороннимпредметом, попавшим в компрессор. Предмет может рикошетить по кругу во входномотверстии компрессора, порождая показанные слева повреждения.
Соль илипесокпричиняют серьезную эрозию и коррозию, в конечном счете приводя к сильнымповреждениям лопастей компрессора.
Мягкиепосторонние предметы – мягкие посторонние предметы (протирочнай ткань или дажебумага), могут причинить повреждение, показанное слева. Как правило, лопастиизгибаются, а в предельном случае лопасть может сломаться из-за усталостиметалла.
Твердыепосторонние предметы, попавшие в турбину – Твердый посторонний предметы, попавший втурбину, повреждают переднюю кромку лопасти, как показано слева. Даже такиемаленькие предметы, как частицы ржавчины, отделяющиеся от коллектора могутпричинить значительное повреждение таким быстро движущимся деталям.